【導(dǎo)讀】SATA是一種基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行硬件驅(qū)動(dòng)器接口，由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盤接口規(guī)范，現(xiàn)在已升級(jí)至SATA3.0,那么SATA是怎樣的發(fā)展路線，未來的SATA設(shè)備將是什么樣?如果整理一下SATA的發(fā)展路線，也許能從中找到一些線索。
SATA硬盤接口
昨天SATA-IO（串行ATA國際組織）發(fā)布了一條新聞，SATA標(biāo)準(zhǔn)接口的批準(zhǔn)程序已經(jīng)開始。這就意味著，不久之后SATA傳輸規(guī)范將有新的升級(jí)，預(yù)計(jì)最早在今年下半年就可能迎來新的規(guī)范。那么SATA是怎樣的發(fā)展路線，未來的SATA設(shè)備將是什么樣，這次變革究竟會(huì)用戶帶來哪些便利？如果整理一下SATA的發(fā)展路線，也許能從中找到一些線索。
SATA：并行與串行之爭
在2001年的時(shí)候，一種名叫ATA100的規(guī)范被ANSI(American National Standards Institute：美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì))認(rèn)證，讓對存儲(chǔ)有需求的用戶興奮不已。因?yàn)榇饲皵?shù)據(jù)線的傳輸速度只有66MB/s，而一部分硬盤的內(nèi)部傳輸速度已經(jīng)快接近極限，這樣一旦遇到RAID等，外部傳輸速度就成為瓶頸。在后來，ATA接口的速度更是提升到了133MB/s的理論值，以進(jìn)一步滿足用戶需要。
但是這種基于并行總線的傳輸技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了極限，在ATA133之后并沒有更高規(guī)格的規(guī)范推出。同時(shí)也難以滿足用戶對性能和易用性的進(jìn)一步需求。比如在一條線上安裝多個(gè)硬盤時(shí)要設(shè)置主從盤跳線、寬大的數(shù)據(jù)線不利于布線和系統(tǒng)散熱，不支持熱插拔讓系統(tǒng)不便于維護(hù)等等。從技術(shù)上來說，由于這種并行傳輸技術(shù)對于干擾缺乏良好的過濾機(jī)制，為了確保數(shù)據(jù)被正確傳輸，峰值傳輸電壓高達(dá)5V，這種方式已經(jīng)讓傳輸標(biāo)準(zhǔn)失去了進(jìn)一步提升性能的可能性。
圖1 SATA與PATA之爭的本質(zhì)是串行與并行之爭
在ATA100通過ANSI認(rèn)證的同時(shí)，由Intel、IBM、希捷等廠商牽頭，在2001年發(fā)布了另一種完全不同的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，被稱為SATA1.0。這種傳輸技術(shù)在2000年被提出來，是一種從光纖傳輸衍生出來的串行傳輸技術(shù)，并在次年最終確立成為標(biāo)準(zhǔn)。與此前的PATA相比，數(shù)據(jù)線變得非常窄，安裝十分方便。同時(shí)每個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備占用一條單獨(dú)通道，不必設(shè)置主從，并且具備了優(yōu)秀的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和糾錯(cuò)功能。更重要的是初始傳輸速度就達(dá)到了150MB/s，即使是相對于之后的ATA133來說，數(shù)據(jù)傳輸性能也已經(jīng)大大超越了。因此SATA在傳輸標(biāo)準(zhǔn)競爭中處于絕對優(yōu)勢，為以后的主流地位奠定了基礎(chǔ)。
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SATA2：開始走向成熟
現(xiàn)在回頭來看，SATA的出現(xiàn)是一個(gè)不小的進(jìn)步。與之前從ATA33到ATA133的一步步傳輸性能提升相比，PATA轉(zhuǎn)換到SATA是從并行轉(zhuǎn)向串行，并不是簡單的規(guī)范升級(jí)，而是革命。但作為全新的標(biāo)準(zhǔn)，也存在一些不完善的地方，因此隨著時(shí)間的不同，會(huì)有1.0a、1.0、1.5等等逐步完善的版本。但總體上說，使用在服務(wù)器以及企業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備上的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)對熱插拔支持不好、對多任務(wù)請求支持不好、高負(fù)荷下性能降低等問題。
其實(shí)在2002年，也就是SATA1規(guī)范制定的第二年，SATA2就發(fā)布了，并且對這些存在的問題進(jìn)行了大規(guī)模修復(fù)，同時(shí)還增加了很多新的技術(shù)以進(jìn)一步提升性能。SATA2最廣為人知的穩(wěn)定版本是SATA2.5，將所有的優(yōu)秀技術(shù)搜羅進(jìn)來，并且規(guī)范了SATA2標(biāo)識(shí)如何正確使用。
圖2 NCQ是讓硬盤大提速的實(shí)用技術(shù)
SATA2里面將傳輸速度從150MB/s提升到了300MB/s，并且增加了NCQ、端口選擇器、端口倍增器等技術(shù)。其中在性能提升上最引以為傲的就是NCQ技術(shù)，在某些情況下，通過優(yōu)化算法對需要讀取的內(nèi)容進(jìn)行重新排序，將按照數(shù)據(jù)順序讀取改變?yōu)榘凑沾疟P位置順序讀取，大大提升了性能。
另外對于數(shù)據(jù)線容易成為企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備單一故障點(diǎn)的問題，端口選擇器允許一個(gè)硬盤占用2個(gè)SATA接口(通道)，這樣在一條線出現(xiàn)故障的時(shí)候切換到另一條傳輸，以確保重要業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。而端口倍增器允許一個(gè)SATA線連接兩個(gè)硬盤，提升了系統(tǒng)整體可以容納的存儲(chǔ)器數(shù)量。
更高速的SATA3已成主流
可以說SATA2是SATA接口走向成熟的一代，所有的規(guī)范都已經(jīng)接近最終確定，暫時(shí)還沒有特別新的內(nèi)容需要加入。目前的SATA已經(jīng)升級(jí)到了3.0時(shí)代，相對于SATA2，新規(guī)范優(yōu)化了NCQ的讀取機(jī)制，并且將速度提升到了600MB/s。
外部傳輸速度的升級(jí)，對于民用產(chǎn)品來說意義不大，因?yàn)樵趥€(gè)人用戶的機(jī)器中磁盤內(nèi)部傳輸速度才是最大的瓶頸。然而在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)領(lǐng)域，對存儲(chǔ)性能的渴求是令人發(fā)指的。不但各種高性能的磁盤陣列方案云集，并且很多磁盤本身的內(nèi)部傳輸速度也都相當(dāng)高，更不乏萬轉(zhuǎn)級(jí)、15000轉(zhuǎn)級(jí)的硬盤廣泛使用，一些存儲(chǔ)設(shè)備更是早早就提供了對SSD固態(tài)硬盤的完善支持，在這種情況下，通過磁盤產(chǎn)品的優(yōu)化組合，很容易使原本看起來充裕的外部接口瞬間變成瓶頸，因此更高速率的規(guī)范勢在必行。
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SATA3：讓人疲勞的提速
SATA-IO組織最新的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)做怎樣的升級(jí)呢？先看一張最新的Intel服務(wù)器主板芯片組布局圖。
圖3 Intel最新Xeon E5平臺(tái)芯片組結(jié)構(gòu)圖
在這張布局圖中我們要注意的就是SATA的部分。在芯片組中，Intel為服務(wù)器提供了4個(gè)SATA2接口和2個(gè)SATA3接口，這兩種接口分別能夠提供300MB/s和600MB/s的傳輸速度。雖然目前對于單個(gè)存儲(chǔ)器來說，目前還很難對這種規(guī)格造成沖擊。但是各種磁盤陣列方案，尤其是SSD的引入，讓存儲(chǔ)設(shè)備的內(nèi)部傳輸速度能夠成倍增加，即使最新的SATA3，外部傳輸速度也能很容易成為瓶頸。這讓SATA-IO感到了壓力。SATA-IO總裁Mladen Luksic去年的采訪中，談到SATA升級(jí)問題就曾經(jīng)表示，雖然雖然企業(yè)級(jí)用戶所占的市場份額并不多（企業(yè)級(jí)有太多解決方案可用了），但SATA的目標(biāo)是要滿足所有情況的應(yīng)用。
圖4 詭異的新接口
以往無論是ATA33/66/100/133，還是SATA1/2/3(傳輸速度分別為150/300/600)，其實(shí)都是在防止這種外部瓶頸出現(xiàn)而進(jìn)行的升級(jí)。但是到了后SATA3時(shí)代該如何升級(jí)？這樣純粹提速的升級(jí)之路能走多遠(yuǎn)？作為規(guī)范的制定者，SATA-IO組織權(quán)衡之后改變了這種單純提速的思路。一種看起來相似，但是又很“怪異”的接口出現(xiàn)了。
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后SATA時(shí)代：升級(jí)是為了不再升級(jí)
下一代SATA升級(jí)的切入點(diǎn)指向了另一個(gè)同樣使用串行總線的近鄰：PCI Express。先做一下科普：在主板上可以看到各種不同長度的PCI Express接口，對應(yīng)了x1，x4，x8，x16四種規(guī)格。每一個(gè)x代表一條PCI Express通道，每一條PCI Express通道帶寬是固定的，硬件制造商研發(fā)產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)自己產(chǎn)品所需要的帶寬情況，把產(chǎn)品設(shè)計(jì)成需要占用幾條PCI Express通道就可以了。也就是說PCI Express的帶寬純粹是用通道數(shù)量堆積起來的。
圖5 PCI Express的通道堆疊圖示
既然PCI Express可以，為什么SATA不可以？帶著這樣的思路，早在2011年下半年，一種新的理念被提了出來，叫做SATA Express。如今經(jīng)過各方討論和完善，SATA Express正在逐步成型，現(xiàn)在正等待被SATA-IO批準(zhǔn)使用，不出意外的話，今年年底將正式成為規(guī)范。其理念很簡單，概括來說，就是把SATA硬盤全部連接到PCI Express上去。
但是PCI Express如何與存儲(chǔ)設(shè)備連接呢？解決的方法是摒棄芯片組內(nèi)置SATA控制器的方式，轉(zhuǎn)而將SATA控制器放到每個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上——就是讓每個(gè)SATA接口的硬盤自帶SATA控制器。這樣不論多少個(gè)設(shè)備，都會(huì)有一個(gè)自己獨(dú)占的SATA通道，外部接口速度達(dá)到600MB/s，對于單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備而言在很長一段時(shí)間內(nèi)都不可能出現(xiàn)瓶頸。
下一步，在主板上繼續(xù)提供SATA接口，但這些SATA接口只是繼續(xù)保持SATA接口的形狀，已經(jīng)不再連入主板的SATA控制器，而是直接與PCI Express通道連接。在PCI Express 2.0規(guī)格中，每個(gè)通道可以提供500MB/s帶寬，比SATA3略低。但是未來的PCI Express 3.0規(guī)格中，每個(gè)通道的帶寬將達(dá)到1GB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了SATA3規(guī)格。
即使PCI Express停留在2.0時(shí)代也沒關(guān)系，因?yàn)?00MB/s是PCI Express每個(gè)通道的帶寬，如果存儲(chǔ)器占用2條PCI Express通道，外部傳輸速度就達(dá)到1GB/s，如果占用4條，就達(dá)到2GB/s，……以此類推，即使存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)量特別多，只要逐步增加PCI Express通道的占用量，存儲(chǔ)設(shè)備外部的數(shù)據(jù)傳輸也不會(huì)出現(xiàn)任何瓶頸。（以Xeon E5-2600為例，每顆CPU可以提供40條PCI Express通道，雙路平臺(tái)達(dá)到80條）
圖6 未來主板上的硬盤接口是這樣形狀
SATA-IO已經(jīng)發(fā)布了全新的SATA Express接口規(guī)范，新的接口可以同時(shí)兼容現(xiàn)有的SATA存儲(chǔ)設(shè)備(連接到SATA控制器)以及未來的SATA Express存儲(chǔ)設(shè)備(連接到PCI Express總線)。
圖7 新的控制芯片幫助用戶平滑切換存儲(chǔ)設(shè)備
另外，根據(jù)資料顯示，一款SFF-8639的總線控制器也已經(jīng)出爐，這款控制器同時(shí)支持現(xiàn)有的SATA設(shè)備和未來的SATA Express設(shè)備，是一種在兩種設(shè)備都存在時(shí)使用的過渡方案，可以有效幫助用戶在過渡時(shí)期切換不同規(guī)格的存儲(chǔ)設(shè)備。
可以看出，在一次次速度提升之后，SATA-IO最終放棄了為SATA通道進(jìn)一步提速的打算，轉(zhuǎn)而憑借串行總線可以多通道連接的優(yōu)勢，對主板上的閑置資源進(jìn)行充分整合，以更直接更激進(jìn)的方式進(jìn)行提速，預(yù)計(jì)從明年開始，很長一段時(shí)間之內(nèi)都看不到SATA再做任何升級(jí)了。
